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作者:Atul Patel,德州儀器諸如高清電視、個(gè)人視頻播放器、網(wǎng)絡(luò)游戲、IP技術(shù)以及視頻電子郵件控制臺(tái)等消費(fèi)或面向商務(wù)的電子產(chǎn)品最近所碰到的問題是消費(fèi)者所有目共睹的,且不可忽視。支持此類設(shè)備使用的關(guān)鍵在于更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。如今,全球的消費(fèi)者正快速的在其居家及工作場(chǎng)所普及帶寬占用型(bandwidth-hogging)的電子設(shè)備,并需要一定的容量以實(shí)現(xiàn)有效的利用。服務(wù)供應(yīng)商及內(nèi)容所有者希望能提供符合要求的服務(wù),特別是當(dāng)此類服務(wù)在各自的行業(yè)上呈現(xiàn)出真正的增長(zhǎng)之時(shí)。
阻礙了服務(wù)提供商及內(nèi)容所有者以至于無法滿足需求大帶寬帶寬(bandwidth hungry)的消費(fèi)者的主要原因在于老舊的、連通了當(dāng)今的消費(fèi)者至通信網(wǎng)絡(luò)的銅導(dǎo)線通信鏈路。業(yè)已存在的,一般用于鏈接消費(fèi)者及商務(wù)用戶至因特網(wǎng)及通信網(wǎng)絡(luò)的銅導(dǎo)線基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)達(dá)到了一定的上限,在同時(shí)服務(wù)于數(shù)個(gè)用戶時(shí),此類設(shè)施無法提供消費(fèi)者所需的、全部的新型大帶寬(bandwidth intersive)應(yīng)用。
諸如xDSL的技術(shù)及其纜線在因特網(wǎng)發(fā)展初期能為銅導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)提供所需的大帶寬。而今,隨著消費(fèi)者對(duì)帶寬需求的增長(zhǎng),諸如IP-TV及IP技術(shù)等應(yīng)用,銅導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)將無法完全地為此類應(yīng)用提供滿足其需求的帶寬。而隨著因特網(wǎng)使用者越來越普遍,帶寬狀況也進(jìn)一步的惡化。相對(duì)于一般的用戶量來說,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)使用者超出了一定的額度,將有可能擠掉部分電話及電視的用戶。對(duì)于互聯(lián)的電腦、電視機(jī)電話來說,尤其如此。
結(jié)果是服務(wù)提供商及內(nèi)容所有者無法提供其客戶所需的、產(chǎn)生回報(bào)(revenue-generating)的服務(wù)。從消費(fèi)者角度來說,則正在購(gòu)買需求更大帶寬的電子設(shè)備以及其投資的無法完全利用之間猶豫不決。正如你所看到的,帶寬問題貫穿了消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)提供商及內(nèi)容(娛樂)等領(lǐng)域。
可行的解決方案
近期浮出水面的,有可能解決此類帶寬問題的解決方案即是無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)。PON是大帶寬的光學(xué)端鏈接多點(diǎn)式數(shù)據(jù)接入的技術(shù),可采用無源光學(xué)元件支持?jǐn)?shù)據(jù)通信,例如分路器(splitter)及波分多路復(fù)用器(WDM)。
PON系統(tǒng)的典型組成包括了光學(xué)線路終端單元(OLT),將連接至客戶(消費(fèi)者)所在地的多個(gè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)終端單元(ONT)。典型情況下,單個(gè)OLT可支持高達(dá)32-64個(gè)ONT。
PON技術(shù)已經(jīng)存在了一定的時(shí)間,但直至近幾年才由于新技術(shù)的浮現(xiàn)使得PON足夠經(jīng)濟(jì)高效以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。從服務(wù)提供商方面來說,PON可高效的支持光纖用戶,取決于PON實(shí)現(xiàn)的方式,其單條源自處理中心(central office)的線路將可服務(wù)于32-64個(gè)客戶。上述方式在設(shè)備及光纖的安置開支方面實(shí)現(xiàn)了較低的每客戶成本。
此外,無源元件需要較少的維護(hù),且具有較低的故障率。類似的種種原因促成了可接受的PON網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)成本。由于具備了可接受的實(shí)現(xiàn)成本,并為客戶提供了足夠大量的帶寬,服務(wù)供應(yīng)商正考慮把PON作為可能的替換技術(shù),以替換目前所使用的銅導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)。
PON的方式
用于實(shí)現(xiàn)PON的技術(shù)經(jīng)過了若干年的發(fā)展,可供給不同的市場(chǎng)領(lǐng)域,并促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展和推陳出新。目前主要有三種PON實(shí)現(xiàn)方式:廣播式PON(BPON)、以太網(wǎng)PON(EPON)、千兆位PON(GPON)——每一方式均具有其顯著的優(yōu)勢(shì)及不足。
BPON在其數(shù)據(jù)傳輸層采用了自動(dòng)化傳輸服務(wù)(ATM),主要傾向于早期的、已使用ATM的基礎(chǔ)設(shè)施。BPON基于ITU-T 標(biāo)準(zhǔn)。此類PON支持非均衡的數(shù)據(jù)率——622mbps下行及155mbps上行。BPON可在每條OLT鏈路上支持高達(dá)64個(gè)客戶,支持范圍長(zhǎng)達(dá)20km。BPON的部分優(yōu)勢(shì)包括了全服務(wù)局域網(wǎng)(FSAN)兼容性、流量管理能力以及對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的支持。
BPON的一個(gè)缺點(diǎn)在于需要三個(gè)光學(xué)波長(zhǎng):語音及數(shù)據(jù)的下行波長(zhǎng)、視頻的下行波長(zhǎng)、語音及數(shù)據(jù)的上行波長(zhǎng)。但與其它類型的PON方式相比,BPON在實(shí)現(xiàn)上具有更大的成本優(yōu)勢(shì)。
EPON使用以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸層,兼容標(biāo)準(zhǔn)。EPON可支持高達(dá)的均衡數(shù)據(jù)率。以太網(wǎng)兼容性以及對(duì)開關(guān)數(shù)字視頻(switched digital video)的支持使得EPON成為了開發(fā)新領(lǐng)域的優(yōu)先選擇,適用于較少或沒有早期基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)合。EPON允許32個(gè)時(shí)隙(time slot,即每OLT支持32個(gè)ONT),支持典型的鏈路范圍高達(dá)20km。
EPON的主要優(yōu)勢(shì)之一在于其高速的數(shù)據(jù)傳輸所結(jié)合的開關(guān)數(shù)字視頻服務(wù)能力。該特性與需要不同波長(zhǎng)來支持視頻的高成本實(shí)現(xiàn)形成了鮮明的對(duì)比。同時(shí),與其它以太網(wǎng)使能設(shè)備的無縫連通性也是EPON的固有優(yōu)勢(shì)。EPON的一個(gè)缺點(diǎn)在于與BPON相比較時(shí),單條OLT鏈路上所能服務(wù)的客戶數(shù)量有所下降。
GPON可看作BPON的超集(superset),但也具有一點(diǎn)明顯的差異。GPON具有協(xié)議不確定性。因此,GPON可同時(shí)支持時(shí)分復(fù)用(TDM)以及數(shù)據(jù)分組(packet data)。GPON基于ITU-T 標(biāo)準(zhǔn),支持非均衡的數(shù)據(jù)率,下行可高達(dá),上行可高達(dá)。GPON可支持的鏈路范圍高達(dá)40km。GPON的部分優(yōu)勢(shì)在于對(duì)開關(guān)數(shù)字視頻的支持以及對(duì)本地時(shí)分復(fù)用語音的支持,無須添加IP。
GPON的缺點(diǎn)在于與BPON技術(shù)相比的不成熟性,但隨著時(shí)間的推移,且基于GPON與終端消費(fèi)者的需求極為一致的優(yōu)勢(shì),其缺點(diǎn)終將克服。由于BPON及ATM基礎(chǔ)設(shè)施在北美地區(qū)更為常見,因而GPON最初更多的配置于此地區(qū)。
關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)需求
PON系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)需求之一在于需要OLT處的端口不斷的在多個(gè)ONT客戶之間切換。典型的ONT端具有給定的1/32(或1/64)有效時(shí)隙以實(shí)現(xiàn)與OLT的通信。從而需要OLT快速順暢的逐個(gè)鎖定ONT。快速鎖定及再鎖定周期(re-lock cycle)的需求典型的涉及到對(duì)突發(fā)模式(burst mode)的再鎖定支持(叢OLT的角度來看)。
為了支持此類對(duì)PON的實(shí)現(xiàn)極為關(guān)鍵的快速鎖定功能,特定的媒介訪問控制(MAC)、串行化/解串化器(Serdes)以及時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)硅芯片技術(shù)都是必須的。MAC須匹配每一ONT的訪問,并同時(shí)實(shí)現(xiàn)典型的MAC功能。
串行化/解串化器:問題的關(guān)鍵部分
SerDes/CDR硅芯片在PON的實(shí)現(xiàn)上起了非常重要的作用,此類芯片是實(shí)現(xiàn)快速再鎖定功能(在OLT側(cè))的關(guān)鍵。典型情況下,GPON需求低于30位時(shí)(bits time)的再鎖定時(shí)間,EPON需求低于300位時(shí)的再鎖定時(shí)間。任意特殊的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的額外的再鎖定時(shí)間將取決于系統(tǒng)的架構(gòu)以及設(shè)計(jì)所采用的元件。
在早期,GPON系統(tǒng)構(gòu)建人員需要分離的實(shí)現(xiàn)SerDes及CDR功能,并使用多個(gè)元件,諸如CDR芯片、時(shí)鐘相位調(diào)整單元、多路復(fù)用器、解多路復(fù)用器以及移位寄存器。此類分離的實(shí)現(xiàn)非常昂貴且需要很大的功率。某些情況下,此類離散的實(shí)現(xiàn)降低了基于PON實(shí)現(xiàn)的總體成本效益。
然而,近期的硅芯片開發(fā)商針對(duì)EPON及GPON系統(tǒng)引入了集成的SerDes解決方案。針對(duì)EPON應(yīng)用及GPON應(yīng)用的器件提供了低成本、低功耗的集成SerDes解決方案,可支持PON(EPON及GPON)所需的快速再鎖定功能。例如,通過集成多路復(fù)用器、解多路復(fù)用器以及CDR,可實(shí)現(xiàn)約800mw的功耗。相比較而言,離散的解決方案需要2-3W的功耗即可實(shí)現(xiàn)同等的功能。同時(shí),由于此類設(shè)備的構(gòu)建采用了低成本的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝,因而不僅可適用于OLT端的設(shè)計(jì),亦可應(yīng)用于ONT端。與OLT端相比,ONT的實(shí)現(xiàn)需求在再鎖定時(shí)間方面略為寬松。然而,由于是更為接近客戶導(dǎo)向的系統(tǒng)(consumer oriented system),因而ONT端的元件必須極為經(jīng)濟(jì)高效。
很顯然,用于支持關(guān)鍵的PON需求(例如快速再鎖定)的新型SerDes設(shè)計(jì)將是PON基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建的關(guān)鍵之一。具有了光學(xué)模塊、無源元件以及硅芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì),所有這些方面,都為PON最終取代具有百年歷史的老式銅導(dǎo)線接入基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路。
